Precoded space-time block codes with limited feedback for MIMO wireless systems : single mode, multimode and supermode schemes

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this dissertation, the precoded space-time block codes (STBC) schemes with limited feedback in MIMO wireless communication systems are investigated, which are classified as single mode, multimode and supermode schemes based on the number of input data streams and corresponding transmission schemes.Mode refers to the number of input data stream contained in the precoded STBC codeword. For single mode precoded STBC (SM-STBC), as the word implies only one input data stream is allowed and encoded by using one OSTBC encoder, we propose a near-optimal antenna selection precoding with cost of a limited feedback for a class of full-rate, full-diversity orthogonal STBCs constructed by serially concatenating a certain number of 2 x 2 Alamouti STBC and a constellation rotated signal vector. The proposed precoding schemes, which uses an error codebook constructed from the error vector quantization, minimizes pairwise error probability. It provides close-to-optimal performance while keeping the low complexity in spatially and temporally correlated channel.The multimode precoded STBC (MM-STBC) scheme, which adaptively varies the number of parallel 2 x 2 Alamouti OSTBC based on the current channel information, is proposed to achieve betterperformance than the multimode precoded spatial multiplexing MIMO (MM-MIMO) system for some numbers of feedback because STBC can achieve full diversity without CSI at the transmitter. Compared with the single mode precoded STBC, it can further improve the performance due to a combination of linear precoding and adaptive modulation, assuming the transmitted data-rate is independent of thenumber of data streams. Furthermore, unlike the conventional unitary precoder design which is subspace packing in Grassmann manifold to maximize the chordal distance, we proposed a unitary precoder design which minimizes average error probability directly and shows performance improvement. We also propose an optimal precoder design with non-uniform power allocation which achieves better performance than the unitary design because of power allocation. However, thedesign requires a brute-force search among thousands of precoder candidates to guarantee the optimal precoder will be selected. Thus, an approximate closed-form solution of the optimal precoder isderived in order to cut down the search complexity. It is noted that the proposed percoder design with non-uniform power allocation can be applied for the MM-MIMO system to improve performance, whichshows the effectiveness and applicability of the proposed precoder design.The supermode precoded scheme, which is a hybrid operation of the MM-MIMO and MM-STBC, allows different degrees of freedom (DOF) and different transmission depending on the current channel information and is expected to improve performance compared with the multimode precoded schemes. The system requires more accurate selection criteria to guarantee the mode of the MM-MIMO or MM-STBC providing the best performance is selected. However, the selection criteria for the multimode precoded schemes based on the minimum eigenvalue of the effective channel may not be optimal for low SNRs. Therefore, a tight bound of pairwise error probability for maximum likelihood (ML) detection is derived, which leads to new feedback allocation and selection criteria for mode adaptation in the supermode precoded scheme.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 MIMO 통신 시스템에서 전송하고자 하는 송신 데이터의 개수에 따른 단일 모드, 다중모드 그리고 슈퍼모드 기법을 기반으로 한 제한된 궤환량 환경에서의 시공간 부호(STBC) 기법에 관한 연구이다.모드(Mode)는 전처리 된 STBC 코드워드에 포함되는 전송 데이터의 개수를 의미한다. 단일 모드 STBC(SM-STBC)의 경우는 한 개의 데이터가 전송될 때 OSTBC 전처리기에 의해 인코딩이 되고, 이는 성상도 회전을 기반으로 한 2ⅹ2 알라무티 STBC 기법에 의해 구성된 최대 전송률 및 최대 다이버시티를 가지는 OSTBC 범주에서 최적의 성능에 근접한 안테나 선택 기법을 제안한다. 제안된 전처리 기법은 오류 벡터 양자화에 의해 구성된 오류 코드 북의 오류 확률을 최소화 시킨다. 또한 제안된 기법은 시 공간적으로 연관된 채널에서 낮은 복잡도를 유지하며 최적에 근접한 성능을 보여준다.순시적 채널 정보를 기반으로 한 2ⅹ2 알라무티 STBC 전처리기에서 데이터의 개수가 적응적으로 변화하는 다중 모드 STBC(MM-STBC)는 송신 단에서 CSI가 없이도 최대 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 STBC의 특성을 통해 매우 낮은 궤환량에서 다중모드 방식이 적용된 공간적 다중화 MIMO(MM-MIMO)에 비하여 더 높은 성능을 나타낸다. 단일모드 STBC와 비교할 때, 이 기술은 데이터 전송률이 데이터 스트림의 개 수와 독립적이라는 가정 하에 선형적 전처리 기술 및 적응적 모듈레이션 기법을 적용함으로써 성능 향상을 도모할 수 있다. 또한 기존에 널리 알려진 그래스매니안(Grassmanian) 방식을 적용한 유니타리 전처리기 와는 다르게 본 논문에서 제안한 유니타리 전처리기는 로이드(Lloyd) 알고리즘을 적용하여 평균 오류 확률을 최소화 하도록 설계한 것으로 기존의 결과에 비하여 더욱 높은 성능을 나타낸다. 또한 균일하지 않는 전력 할당 방식을 적용한 최적의 전처리기를 설계함으로써 유니타리 전처리기 보다 더 높은 성능을 보여준다. 하지만 이러한 최적의 전처리기 설계는 브룻포스(Brute-Force) 방식을 통하여 수 천 가지의 경우를 모두 고려하여 최적의 전처리기를 선택해야 하므로 설계 상 복잡도 증가의 어려움이 있다. 따라서 이러한 복잡도를 낮추기 위해 최적의 전처리기에 대한 근사화된 닫힌 형태(Closed Form)의 선택 기준을 유도하였다. 비선형적 전력 할당을 기반으로 설계된 전처리기는 효율성과 구현 가능성을 바탕으로 MM-MIMO 시스템에서 적용할 수 있다.MM-MIMO와 MM-STBC 사이의 하이브리드 방식의 동작성을 나타내는 슈퍼모드 전처리 방식은 발생하는 채널에 따라 달라지는 자유도 및 와 채널 정보에 따라 서로 다른 전송 방식을 수행한다. 이를 통해 기존의 다중모드 전처리 기술에 비하여 더 높은 성능 향상을 나타낸다. 슈퍼모드 MIMO 시스템은 MM-MIMO 혹은 MM-STBC의 모드 선택 방식에 있어서 더욱 정확한 선택 기준이 요구된다. 특히, 낮은 SNR영역에서의 효율적 채널에 대한 최소 고유값 기반 다중 모드 전처리 기술은 최적의 선택 기준이 아닌 경우가 발생한다. 따라서 슈퍼모드 전처리 기법에서는 새로운 궤환량의 할당 및 모드 선택 기준을 바탕으로 더욱 정확한 ML 검출 방식에서의 오류 확률의 경계를 유도한다.